治平四年（1067年），宋英宗病逝，神宗即位，改年號為“熙寧”。沈括晉升為館閣校勘，奉詔編修《南郊式》。這是皇帝祭天的禮儀章程。每年冬至日，由皇帝主持在京城的南郊築壇祭天。為此，總要興師動眾，大修宮闕亭苑，廣征奇花異石，帳幔蔽日，彩旗漫天，不僅勞民傷財，而且禮儀繁縟，天子百官視為負擔，頗感倦怠。神宗才20歲出頭，意欲改革，又恐違背祖訓，便命沈括詳加考訂，重修禮儀。
沈括將曆代的祭天禮儀考察一番後，刪繁就簡，保留精髓，使新的儀式顯得更加莊嚴隆重。上奏朝廷，龍顏大悅。從此，冬至日的祭天活動，免去了遊園觀賞，壓縮土木工程和珍奇征集之役，節省了開支，臣民稱道。這也是沈括革新變法的初步嚐試。
在昭文館裏，忙上加忙，沈括擠出時間鑽研曆代天文書籍，提出了不少科學創見。有一次，一位大臣問他：“日和月的形狀，究竟是像一顆彈丸呢，還是一柄團扇？”
“像彈丸。”沈括對此素有研究，早就深思熟慮過，這時自然脫口而出。
“何以見得？”
“可以用月的盈虧來驗證。”沈括回答。“月本無光，好比一顆銀丸，太陽光照射其上，才有反光。我們看到新月，那是太陽光照在它的側麵，好似一彎銀鉤。太陽離月漸遠，日光斜照，月亮也就漸漸圓滿。”
沈括邊說邊擎起一個圓球。圓球表麵一半塗有白粉。他把圓球白粉的一麵正對大臣，說：“這是滿月，月亮是一輪正圓。再把圓球移至側麵，塗白粉的地方顯示彎鉤形。大人請看，月亮像彈丸否？”
沈括這一番直觀的比喻，淺近而又貼切地闡發了東漢天文學家張衡的主張——月不發光，隻是日光反照。
大臣越聽興趣越濃，又問：“那麽，日食、月食又是怎麽回事呢？”